加油站用潛油電泵直驅(qū)永磁電機(jī)研究與設(shè)計(jì)

張義勛 張炳義

摘 要：針對加油站加油系統(tǒng)中自吸式加油機(jī)存在管路鋪設(shè)復(fù)雜、氣阻現(xiàn)象導(dǎo)致加油機(jī)出油量下降甚至不出油的現(xiàn)象，使用潛油電泵直驅(qū)永磁電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的自吸泵，供電系統(tǒng)由單相市電經(jīng)整流逆變轉(zhuǎn)換為三相交流電實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?；跐撚碗姳弥彬?qū)永磁電機(jī)進(jìn)行額定參數(shù)選取，完成電磁方案設(shè)計(jì)，并利用Ansys Maxwell對電機(jī)進(jìn)行二維場有限元仿真，對比不同極槽配合下電機(jī)空載氣隙磁密、空載反電勢，得出最優(yōu)方案。對于少槽電機(jī)，采用梯形槽結(jié)構(gòu)可以提高材料利用率，磁密分布更均勻。

關(guān)鍵詞：潛油電泵;直驅(qū)永磁電機(jī);極槽配合

0? ? 引言

國內(nèi)加油站基本使用自吸式加油機(jī)，然而自吸式加油機(jī)常常帶來一些不可避免的問題，影響了加油站的發(fā)展[1-2]。

潛油泵的加油系統(tǒng)在加油站中可以實(shí)現(xiàn)一泵供多機(jī)（槍），使加油量更大、速度更快。幾臺(tái)同型號(hào)的加油機(jī)共用一根接自油罐的進(jìn)油管（即油罐的出油管），不會(huì)造成互相影響、流量不均的現(xiàn)象[3]。即使一臺(tái)加油機(jī)停泵，也不會(huì)因抽入空氣而斷流。這種工藝大大簡化了管路鋪設(shè)，使加油站的布局更加靈活。潛油泵的加油工藝不會(huì)受油罐直徑變大或埋得太深、油管變長或管路拐彎等因素的影響，能保證加油站的正常運(yùn)營[4-5]。

現(xiàn)有的潛油泵多以單相異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而單相異步電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性低，且電機(jī)功率密度低、體積大、壽命短。隨著電力電子技術(shù)的成熟，三相永磁同步電機(jī)的控制得以更進(jìn)一步發(fā)展，永磁電機(jī)在各行各業(yè)逐漸取代了異步電機(jī)。對泵、三相永磁同步電機(jī)及控制器實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用在加油站加油系統(tǒng)中，可使加油系統(tǒng)更加可靠地運(yùn)行。在設(shè)計(jì)控制器的時(shí)候，加入單相全波整流電路，將單相的市電整流成直流，然后再通過逆變電路將直流電逆變?yōu)榻涣麟娪靡则?qū)動(dòng)電機(jī)，通過壓力傳感器檢測管道內(nèi)油壓反饋給控制器，控制器可以根據(jù)管道內(nèi)壓力快速響應(yīng)，保證加油機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

1? ? 潛油電泵直驅(qū)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1? ? 電機(jī)額定數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)潛油電機(jī)額定數(shù)據(jù)的給定，需要考慮到實(shí)際應(yīng)用中的情況，加油站多分布于城市中，即為220 V交流單相供電，而本文所設(shè)計(jì)電機(jī)為三相供電，這就需要將單相交流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，而這個(gè)過程將會(huì)用到整流逆變電路。所設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)功率PN為1.2 kW，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，考慮市電存在20%浮動(dòng)，通過單相橋式全波整流為直流電壓：

Ud=0.9×0.8U1=158 V? ? ? ?（1）

通過三相逆變電路逆變得出的三相交流電的額定相電壓為：

U1N=0.45Ud=71 V? ? ? ? ? ? （2）

所以，選擇電機(jī)的額定相電壓為70 V。

1.2? ? 電機(jī)熱負(fù)荷確定

電機(jī)的熱負(fù)荷與電機(jī)的電負(fù)荷和電密成正比，電機(jī)的熱負(fù)荷選取得越高，電機(jī)允許的電負(fù)荷和電密越高，電機(jī)成本就越低[6]。過高的熱負(fù)荷會(huì)使電機(jī)的溫升過高，產(chǎn)生永磁體高溫失磁、繞組燒損等故障。因此，適當(dāng)選取電機(jī)的熱負(fù)荷可以提高材料的利用率，降低成本，提高運(yùn)行可靠性。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)應(yīng)用在潛油電泵中，電機(jī)浸在石油中，其散熱條件非常好，屬于水冷散熱，所以電機(jī)的熱負(fù)荷選擇在1 400～1 600 A2/（cm·mm2），電負(fù)荷確定在250～260 A/cm。

1.3? ? 電機(jī)極槽配合選擇

電機(jī)轉(zhuǎn)速與極對數(shù)、頻率之間關(guān)系：

n=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，f為電機(jī)頻率;p為電機(jī)極對數(shù)。

由式（3）可發(fā)現(xiàn)，對于高速電機(jī)而言，若電機(jī)極數(shù)過多，則頻率將會(huì)過高，這將使得定子鐵耗過大，因此電機(jī)不宜做成多極，選取2極或4極為宜。若選用2極，則永磁體跨距過大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)生撕裂現(xiàn)象，對機(jī)械強(qiáng)度要求過高;此外，2極電機(jī)軛部磁密較大，軛部尺寸較大，故電機(jī)極數(shù)選為4極，額定頻率選為100 Hz。

設(shè)計(jì)定子的槽數(shù)主要取決于每極每相槽數(shù)q，一般而言，q在2～6中進(jìn)行選擇。由于本文所設(shè)計(jì)電機(jī)為小功率電機(jī)，q一般在1、2、3中進(jìn)行選擇，本電機(jī)尺寸不大，若槽數(shù)過多可能會(huì)造成槽尺寸過小，使得機(jī)械強(qiáng)度下降，同時(shí)下線困難，因此選定每極每相槽數(shù)q為2，電機(jī)極槽配合選為4極24槽。

分?jǐn)?shù)槽繞組在超低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)中應(yīng)用廣泛，可以很大程度上削弱電機(jī)諧波含量及齒槽轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)性能。本文根據(jù)潛油電泵永磁電機(jī)的特點(diǎn)，選擇4極9槽的極槽配合，完成電磁方案設(shè)計(jì)。通過有限元分析，對比4極24槽設(shè)計(jì)方案，選擇最優(yōu)的極槽配合。對于少槽電機(jī)的定子沖片槽型，分別對梨形槽和梯形槽兩種槽型進(jìn)行仿真對比，以提高沖片的利用率，使磁密分布更合理。

1.4? ? 少槽電機(jī)定子沖片設(shè)計(jì)

對于4極9槽電機(jī)，若依然采用梨形槽，槽底弧度過大，將會(huì)導(dǎo)致軛部與齒部連接處材料的嚴(yán)重浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致槽底與定子外徑距離過小，使電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度下降。所以采用梯形槽設(shè)計(jì)，在保證定子軛部磁密的同時(shí)提高槽的有效截面積，可進(jìn)一步減小電機(jī)體積，提高材料利用率。

2? ? 永磁電機(jī)建模與有限元分析

2.1? ? 潛油電泵永磁電機(jī)建模

根據(jù)設(shè)計(jì)的電磁方案，利用CAXA軟件畫出電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)圖，導(dǎo)入Maxwell軟件中進(jìn)行空載仿真，通過分析空載反電勢、空載氣隙磁密波形，驗(yàn)證電磁設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，分析不同極槽配合對電機(jī)性能的影響。

2.2? ? 電機(jī)空載性能分析

通過建模仿真，得出4極24槽和4極9槽電機(jī)空載反電勢波形和氣隙磁密波形?？蛰d反電勢波形如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，選擇4極9槽電機(jī)空載反電勢波形有明顯的改善，諧波含量有很大的改善。

通過對氣隙磁密波形進(jìn)行傅里葉分析得到4極24槽氣隙磁密波形諧波畸變率為41.56%，4極9槽氣隙磁密波形諧波畸變率為27.99%，所以選擇4極9槽的極槽配合。

2.3? ? 少槽電機(jī)梯形槽和梨形槽對比

對于4極9槽電機(jī)，梨形槽和梯形槽對電機(jī)的定子軛部磁密影響很大。通過有限元分析，對定子磁力線分布進(jìn)行對比，磁力線分布圖如圖3所示。

由圖3得出，在定子齒部與定子軛部交接處，梯形槽比梨形槽利用率高，提高了材料的利用率;相同定子外徑和內(nèi)徑下，定子槽面積大，可以降低電機(jī)的電負(fù)荷，提高電機(jī)的性能。梯形槽設(shè)計(jì)時(shí)槽底設(shè)計(jì)為與定子沖片外圓同弧度的圓弧。

3? ? 結(jié)語

本文對加油站將自吸式加油機(jī)改為由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的潛油電泵進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)與有限元分析，得出4極9槽的極槽配合對電機(jī)的性能改善很多，可見分?jǐn)?shù)槽繞組的應(yīng)用不僅僅局限于超低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，對于中速電機(jī)，分?jǐn)?shù)槽繞組同樣可以削弱電機(jī)空載反電勢諧波。對于槽數(shù)少的電機(jī)，得出梯形槽的槽型可以提高定子硅鋼片的利用率，提高電機(jī)的性能。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-03-30

作者簡介：張義勛（1994—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：永磁電機(jī)及其控制。

張炳義（1954—），男，遼寧沈陽人，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：永磁電機(jī)及其控制。